冶金原理3金属熔体.ppt

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1、,Hebei Polytechnic University,内容大纲,3.1 熔铁及其合金的结构3.2 铁液中组分活度的相互作用系数 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式 3.4 熔铁及其合金的物理性质,Hebei Polytechnic University,内容大纲,3.1 熔铁及其合金的结构3.2 铁液中组分活度的相互作用系数 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式 3.4 熔铁及其合金的物理性质,Hebei Polytechnic University,3.1 熔铁及其合金的结构,3.1 熔铁及其合金的结构,3.1.1 金属晶体的结构 金属原子外层价电子为整个晶体共有 金属键：金属离子和价电

2、子的结合力 无方向性和饱和性 金属离子：不互相排斥，为单独离子 晶体中原子：排列远程序性 运动围绕晶格结点作微小振动 原子振动的平衡位置,特征,3.1 熔铁及其合金的结构,3.1.2 金属熔体的结构液体金属的结构：金属中组成质点（原子或离子）的排列状态和运动方式，取决于原子间交互作用能。,温度对液体金属结构的影响：低温：接近固体的结构高温：接近气体的结构一般冶炼温度：准晶态结构过热度不高的金属熔体的结构，如熔铁，接近晶体的结构。,3.1 熔铁及其合金的结构,3.1.3 金属熔体的结构模型自由体积模型 金属熔体是由每个原子占据一个大小相同的自由体积所组成，总自由体积等于金属熔体在过热温度时的体积

3、与熔点时固体金属体积之差。空位模型 金属熔体的原子在温度升高时，可离开晶格的结点，形成空位，因而原子排列的有序性就比晶体的小。这些空位在某些地方不断出现，又在另一些地方不断消失，而原子仅能在每个结点附近才成为有序的排列，保持了近程序。,3.1 熔铁及其合金的结构,3.1.3 金属熔体的结构模型群聚态模型 金属熔化时，原子间的键在一定程度上仍保持着，但原子的有序分布不仅局限于直接邻近于该原子的周围而是扩展到较大体积的原子团内，即在这种原子团内保持着接近于晶体中的结构，这称为金属熔体的有序带或群聚态。有序带的周围则是原子混乱排列的无序带，但它们之间没有明显的分界面，所以不能视为两个相。这种群聚态不

4、断消失，又不断产生，而一个群聚态的原子可向新形成的群聚态内转移。溶解于金属液中的元素在此两带内有不同的溶解度，能大量溶解于固体金属中的元素在有序带内的溶解度比较高，表面活性元素多在此两带的界面上存在。,内容大纲,3.1 熔铁及其合金的结构3.2 铁液中组分活度的相互作用系数 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式 3.4 熔铁及其合金的物理性质,Hebei Polytechnic University,3.2 铁液中组分活度的相互作用系数,思考：铁液中各组分之间是否相互影响？,例如：1600时，纯铁中，；1600时，铁中S含量不变，当含有 时，。,说明：铁液中的组元不仅受到溶剂铁的作用，另外还受到

5、其他组元的影响。相互作用系数定量表征组元间相互影响的物理量。,3.2 铁液中组分活度的相互作用系数,3.2 铁液中组分活度的相互作用系数,3.2.1 相互作用系数,对于一个多元体系：式中：组元的活度系数；组元自身浓度变化对其活度系数的影响；其他组元浓度变化对组元活度系数的影响。,1、组元B 以质量1%溶液为标准态,3.2.1 相互作用系数,铁液中元素B 活度系数的计算方法,活度相互作用系数：,代入式，得到,2、组元B 以纯物质为标准态,3.2.1 相互作用系数,铁液中元素B 活度系数的计算方法,，k 的加入降低了组元B 的活度系数，从而增加了组元B 的溶解度 例如：,3.2 铁液中组分活度的相

6、互作用系数,3.2.2 相互作用系数的特征及其转换关系,1、活度相互作用系数的特征,，k 的加入增加了组元B 的活度系数，降低了组元B 的溶解度例如：,2、活度相互作用系数之间的关系,1）同类相互作用系数 与 分别为第二组元B及第三组元k的摩尔质量，当MBMk时,3.2.2 相互作用系数的特征及其转换关系,2）异类相互作用系数之间：式中：M1 溶剂组元的相对原子质量。M1Mk时，,2、活度相互作用系数之间的关系,3.2.1 相互作用系数,1、化学平衡法 要点：对于Fe-B-k 三元系，由，以 作图，直线斜率为，截距为。例题：在1813K测定铁液中碳的质量分数为1.5的条件下，加入不同的硅量时，

7、CO2-CO混合气体与C反应的气相平衡分压比见下表。试求 和 铁液中反应 的,解：利用不同 求出不同 时碳的活度系数，以 作图求得 对于反应 已知1873K时，则,图中直线的斜率,直线的截距,所以,2、溶解度法：要点：改变k的浓度得到不同浓度下的，作 图得到直线，直线的斜为，根据活度相互作用系数的定义，由此 可以求出,3.2.1 相互作用系数,3、活度系数的计算方法1）利用相互作用系数求解要点：利用活度系数计算公式计算铁液中元素的活度系数及活度。,例：试计算组成为，的生铁中硫的活度系数和活度，温度为1873K。解：利用表3-7查出：-0.028=0.063=0.112=-0.026,2）利用图

8、解法：例：用图3-12给出的 之间的关系求解。由图可知：时，时，由：可求出 和,相互作用系数的温度关系及二级相互作用系数,与温度T的关系：不同温度时 的计算方法：1）按正规溶液计算：2）准正规溶液：3）查表3-8，找到A和B值，再按 计算,3.2 铁液中组分活度的相互作用系数,内容大纲,3.1 熔铁及其合金的结构3.2 铁液中组分活度的相互作用系数 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式 3.4 熔铁及其合金的物理性质,Hebei Polytechnic University,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,过渡族元素 Mn、Ni、Co、Cr、Mo，在铁液中无限溶解，溶解焓。可以看作是理想溶液

9、。碳 碳溶于铁液形成饱和溶液，并吸收 的热量。硅 1873K时，,氢和氮 对于反应：平衡常数：而 因此,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,1.西华特定律,一定温度下，双原子气体在金属中的溶解度与气体分子的平方根成正比。,3.3.4 氢和氮固态：液态：,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,2.温度对氢、氮溶解度的影响,3.3.4 氢和氮固态：液态：,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,2.温度对氢、氮溶解度的影响,3.3.4 氢和氮,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,3.3.4 氢和氮1）与氢及氮形成化合物的元素，如Ti、Nb、V等，能提高气体溶解度，降低、2）比Fe对气体元素有更大亲和力的

10、元素，如Mn、Mo等，在一般钢种中不形成氮化物时，能够提高气体溶解度，降低、3）能够降低溶解度的元素，如C、P、Si、O等非金属元素或准金属元素，提高了、4）对溶解度没有影响的元素，如Co、Ni、Cu等，仅能较小地提高、,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,3.其它元素对氢、氮溶解度的影响,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,3.3.5 氧1.氧在钢液中的溶解反应服从西华特定律的条件氧在钢液中的溶解反应：氧进入铁水的主要形式：,氧在钢液中的溶解反应是否服从西华特定律？,反应成立的条件：,工程上无法实现,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,3.3.5 氧2.铁中溶解氧的测定方法1）化学平衡法2）

11、分配定律法 此时 即 1600时，钢中氧的饱和时的最大浓度,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,3.3.6 硫和磷1.硫1）硫在铁液中溶解 硫在铁液中可以无限互溶，形成相当于FeS的群聚团 铁液中 关系：关系：2）硫在固体铁中溶解 硫在固体铁中的溶解度非常小。S含量高时形成“热脆现象”。2.磷 在铁液中的溶解度很大，在固体铁中的溶解度很小。低温时，易出现“冷脆”现象。,3.3 铁液中元素的溶解及存在形式,3.3.7 碱土金属 Ca、Ba、Mg、Sr等，在铁液中溶解度很低，对钢的性能影响较小。3.3.8 有色金属 Cu、Sn、As、Sb等，炼钢过程中不能去除。3.3.9 钒和钛,内容大纲,3.1

12、 熔铁及其合金的结构3.2 铁液中组分活度的相互作用系数 3.3 铁液中元素的溶解及存在形式 3.4 熔铁及其合金的物理性质,Hebei Polytechnic University,3.4 熔铁及其合金的物理性质,3.4.1 熔点【钢的熔点】：开始结晶的温度。纯铁的熔点为：1537或1538 钢液凝固点的近似计算公式：为每增加1%B物质使钢液凝固点降低的温度 3.4.2 密度 纯铁液在时的密度为,3.4.3 粘度 只有流体才有粘度，固体没有粘度。1.动力粘度和运动学粘度 粘度服从牛顿内摩擦定律式中：F为层间内摩擦力，N；A为层间的接触面积，；为速度梯度，；为动力粘度，层间内摩擦力式中：为动量

13、梯度；为运动学粘度2.动力粘度与温度的关系,3.4 熔铁及其合金的物理性质,3.4.3 粘度 3.溶解元素对铁液粘度的影响 1）N、O、S等，提高铁液粘度2）Ni、Cr、Si、Mn、P、C等，可降低铁液粘度,3.4 熔铁及其合金的物理性质,3.4 熔铁及其合金的物理性质,3.4.4 表面张力【表面张力】：垂直作用在液面上任一直线的两侧，沿液体的切面向着两侧的拉力，N/m 只有流体和固体具有表面张力，而气体则没有表面张力。1.温度对表面张力的影响金属液的表面张力随温度的升高而减小熔铁在1823K的表面张力为 2.溶解元素对铁液表面张力的影响 1）O、S、N、Mn等，强烈降低铁液的 表面张力2）Si、Cr、C、P等，表面活性不高；Ti、V、Mo为非表面活性物质（表面 惰性物质）,3.4 熔铁及其合金的物理性质,3.4.5 扩散 铁液中元素的扩散系数，可用斯托克斯爱因斯坦公式计算：式中：k玻尔兹曼常数；扩散物质的质点半径；扩散介质黏度。元素原子半径越小，扩散阻力越小，扩散系数越大。,Thank you!,Hebei Polytechnic University,